¿Qué son los modelos atómicos y cuántos hay?

Modelos atómicos

Los modelos atómicos son representaciones de la unidad elemental de la materia conocida. A lo largo de la historia, de forma análoga al interés por el cosmos, también los mundos más diminutos, tales como la composición última de la materia han sido objeto de interés científico. Eso ha llevado a que existan numerosos modelos atómicos al menos desde la antigua Grecia.

No obstante, la reflexión científica sobre el átomo tiene un largo receso. La misma tiene un precedente insoslayable en Demócrito de Abdera más no se retoma hasta inicios del siglo XIX de la mano de John Dalton, quien aporta a las reflexiones del filósofo griego un matiz experimental.

Luego, durante todo el siglo XX,se darán los avances más significativos sobre el tema. Nombres como Thomson, Rutherford, Bohr y posteriormente Sommerfeld, Chadwick y Schrödinger pasaran a la historia, cada uno de ellos con sus respectivas representaciones atómicas.

La concepción del átomo de Demócrito de Abdera (IV a.C)

La reflexión sobre la materia en la antigua Grecia no era ajena a las posiciones filosóficas. Demócrito de Abdera da constancia de ello. Al pertenecer a la tradición eleática creía en la existencia del ser y del no ser, pero tenía la férrea convicción de que el ser era el resultado de la interacción entre pequeños átomos que se desplazaban a través del vacío, es decir, del no ser.

Es a Demócrito a quien debemos las primeras ideas sobre este crucial elemento. En efecto, los postulados del filósofo sobre el átomo indican que lo concibió como  la unidad más pequeña existente, indivisible, indestructible y además invisible para los sentidos humanos. Todas ellas cualidades que serán retomadas por Dalton a principios del siglo XIX para su propio modelo atómico.

También es importante tener presente que Demócrito consideraba que los átomos estaban en constante movimiento. En tal sentido creía que la constante separación y reunión de los átomos era la explicación válida de que en el mundo existiesen materiales de tan diversas propiedades.

Modelo atómico de John Dalton (1808)

A inicios del siglo XIX y tras un largo periodo de experimentación (1803-1807) John Dalton retoma los postulados de Demócrito pero les aporta evidencia empírica. Al igual que el filósofo griego creía que la materia estaba conformado por unidades indivisibles que divergían según el elemento que constituyesen y que también explicaban la existencia de múltiples formas en el universo.

En concreto, Dalton postulaba que las moléculas eran agrupaciones de átomos. También consideraba que cuando átomos de diversos elementos entraban en contacto y se unían aparecían los diversos componentes químicos. Las reacciones químicas, por lo tanto, no serían otra cosa que una separación y reordenamiento de los átomos con que se experimentaba.

A pesar del avance científico, Dalton creía que los átomos eran realmente indivisibles, manteniendo la misma opinión que se podía tener en la antigüedad. Sin embargo, a finales de siglo esta concepción cambiaría de la mano de Thomson.

Átomo

El descubrimiento de J.J. Thomson (1897-1904)

Durante el siglo XIX los avances técnicos y experimentales fueron impresionantes. Uno de los más cautivantes entre los espíritus científicos fueron los rayos catódicos. Estos consistían en una corriente eléctrica que se hacía circular dentro de un tubo de cristal, la cual se hacía visible al ojo humano en la medida en que se sustraían los gases dentro del mismo.

La propia aparición de dicho haz de luz era un misterio para la época. Joseph John Thomson trataba de desentrañar el misterio para lo cual diseñó su propio tubo de rayos catódicos con unas ligeras modificaciones propias de su experimento.

Sin entrar en detalles acerca de su funcionamiento, Thomson terminó por descubrir variaciones en la forma del haz de luz en la medida en que introducía cargas eléctricas. Al darse cuenta que las mismas no se debían al gas, dedujo que se trataba de una carga negativa. El electrón había sido descubierto y la indivisibilidad del átomo había sido refutada.

Por tales resultados, Thomson propuso un modelo de átomo hoy conocido como modelo del budín de pasas, según el cual el átomo es una esfera de carga positiva con una distribución ordenada de partículas de carga negativa (hoy conocidos como electrones).

La discordia científica de Rutherford (1911)

Algunos años más tarde Ernest Rutherford desarrollaría sus propios experimentos. Bombardeando una lámina de oro con partículas de radio y colocando tras de ella una pantalla de luminiscencia se propuso analizar el comportamiento de tales partículas. Lo que obtuvo al final fue que, lejos de lo esperado, las desviaciones del rayo eran pocas cuando lo hacían desde la lámina de oro.

La observación atenta de Rutherford le hizo teorizar que se debía a una carga positiva inherente al propio átomo. De esta manera, propuso un modelo atómico según el cual el núcleo estaría conformado casi en su totalidad por elementos de carga positiva, mejor conocidos como protones, y sería rodeado por electrones en movimiento.

Rutherford había introducido la manzana de la discordia: ¿Cómo podían unas cargas eléctricas estar en movimiento y a la vez no emitir alguna forma de luz? Tal enigma halló su solución con el modelo atómico propuesto años después por Niels Bohr.

El modelo atómico “planetario” de Niels Bohr (1913)

Los resultados de Rutherford eran un verdadero dolor de cabeza para la comunidad científica. Sin embargo, Niels Bohr logró esclarecer las aparentes contradicciones que implicaba su modelo atómico proponiendo su propia versión.

Bohr sugirió un modelo atómico similar, solo en apariencia, al sistema solar. Según este científico, el núcleo sería como el sol de nuestro sistema solar y los neutrones serían como los planetas. No obstante, hasta allí llega la comparación puesto que el propio Bohr advirtió que sería inconveniente trasladar las leyes que rigen al macro-cosmos al estudio de sistemas tan pequeños como el átomo.

Por esa razón propuso también un funcionamiento particular del átomo en su modelo. Según Bohr la estabilidad de los neutrones (y su consecuente falta de luz) se debería a que cada “órbita” del mismo es a su vez un nivel energético con sus propias reglas.

En tal sentido, un nivel energético admite una cantidad limitada de electrones. La luz solo se generaría cuando algunos protones pasasen de un nivel energético de mayor capacidad hacia uno de menor capacidad, perdiendo electrones en el proceso los cuales serían expulsados del átomo.

En 1915, Arnold J. Sommerfield, presentaría una versión “corregida” o mejor dicho, enriquecida, del modelo atómico de Bohr a la luz de la relatividad de Albert Einstein. Asimismo, en 1923, de la mano de James Chadwick se daría el descubrimiento de los neutrones (partículas sin carga ubicadas en el núcleo junto a los protones).

El modelo atómico de Erwin Schrödinger

También conocido como el modelo atómico cuántico-ondulatorio, el modelo propuesto por Erwin Schrödinger es el que se utiliza en la física contemporánea. Su desarrollo no solo se debió al ingenio de Schrödinger, el cual está fuera de toda duda, sino también a todos los avances acumulados desde la antigüedad griega.

En concreto, el modelo atómico cuántico-ondulatorio propone la concepción de los electrones como ondulaciones en la materia. Partiendo de los anteriores modelos, especialmente del modelo de Bohr perfeccionado por Sommerfeld, Schrödinger sugirió el estudio probabilístico de la posición de los electrones así como de su cantidad de movimiento.

Schrödinger también consideró el principio de incertidumbre de Heisenberg, por lo que tales estimaciones podían realizarse pero nunca de forma simultánea.

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